一種船載光電穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要:介紹了一種船載光電穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng),著重介紹了功率驅(qū)動(dòng)器與基于TMS320F28335 DSP的數(shù)字伺服控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)。工程實(shí)踐結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較強(qiáng)的抗干擾性,能有效地隔離船體搖擺擾動(dòng),對(duì)類似的工程設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞:穩(wěn)定跟蹤;TMS320F28335;數(shù)字伺服控制器;電磁兼容
船載光電穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是隔離浪涌引起的船體搖擺,同時(shí)完成對(duì)目標(biāo)的精確跟蹤。本系統(tǒng)通過光纖速率陀螺反饋構(gòu)成速率穩(wěn)定環(huán)路,敏感船體角速率變化,反方向補(bǔ)償該速率的變化,保證光電負(fù)載瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定;同時(shí)接收上位機(jī)或者光電傳感器發(fā)送的位置偏差指令,控制負(fù)載框架使光電設(shè)備準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤功能。
1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由伺服控制機(jī)箱和光電轉(zhuǎn)臺(tái)兩大部分組成,其中伺服控制機(jī)箱由箱體、電源及保護(hù)電路、DSP伺服控制器、電流調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動(dòng)器組成;光電轉(zhuǎn)臺(tái)為兩軸系,無刷直流力矩電機(jī)、測(cè)角編碼器分別套軸安裝在光電轉(zhuǎn)臺(tái)上,方位軸系、高低軸系分別獨(dú)立安裝一套光纖速率陀螺,感應(yīng)本軸系的角速率。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和高可靠性,系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)采用多環(huán)路串級(jí)控制方案,其系統(tǒng)單軸(方位軸、高低軸)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,位置調(diào)節(jié)器和穩(wěn)定調(diào)節(jié)器由DSP伺服控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié),采用該設(shè)計(jì)方案既能充分發(fā)揮DSP伺服控制器的高速數(shù)據(jù)處理能力,又能簡(jiǎn)化電路,增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性。
2.2 功率驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
作為無刷直流力矩電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)部件,功率驅(qū)動(dòng)器的性能對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能具有決定性作用。功率驅(qū)動(dòng)器是將電流調(diào)節(jié)器的控制誤差信號(hào)進(jìn)行功率放大,以驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。本系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)器主要由基于MC33035的無刷電機(jī)控制模塊、基于高速光耦HCPLA504的光電隔離電路、基于三菱PM25RAL120的功率放大模塊和電流采樣電路、邏輯組合電路組成,具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。功率驅(qū)動(dòng)器工作流程圖如圖3所示,虛框內(nèi)為功率驅(qū)動(dòng)器。
控制模塊接收外部控制信號(hào)(包括無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)、控制模塊使能信號(hào)、剎車控制信號(hào)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)和誤差控制信號(hào)等),產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)模塊需要的6路原始驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。6路原始驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)經(jīng)過光耦隔離由功率放大模塊進(jìn)行功率放大,驅(qū)動(dòng)無刷直流力矩電機(jī)。
無刷直流力矩電機(jī)的電流采樣由功率驅(qū)動(dòng)器中的霍爾電流傳感器完成,邏輯組合電路對(duì)三路電流采樣信號(hào)進(jìn)行邏輯組合,輸出與電機(jī)電樞電流成正比的電流信號(hào),此信號(hào)作為電流環(huán)路的電流反饋信號(hào)。令無刷直流力矩電機(jī)位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)分別為Sa、Sb和Sc,無刷電機(jī)三相繞組上的電流傳感器的輸出信號(hào)分別為ia、ib和ic,則電機(jī)的工作電流Id與三相繞組位置信號(hào)的邏輯運(yùn)算關(guān)系如下:
2.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
由于電流環(huán)超調(diào)量越小越好,電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器,把電流環(huán)校正成I型系統(tǒng),其傳遞函數(shù)為:
式中Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù),τi為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。
電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4所示,其中-BId為電流負(fù)反饋電壓,Ui為電流給定電壓即穩(wěn)定環(huán)路輸出電壓信號(hào),Uc為電流調(diào)節(jié)器輸出即功率驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)。令Toi為電流濾波時(shí)間常數(shù),根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理,參數(shù)計(jì)算公式如下:
式(3)、(4)、(5)用于計(jì)算電流調(diào)節(jié)器具體參數(shù)。
2.4 DSP伺服控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.4.1 DSP伺服控制器的硬件設(shè)計(jì)
DSP伺服控制器硬件電路主要由主控芯片TMS320F28335、DSP外圍電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、故障檢測(cè)電路、MAX3491電平轉(zhuǎn)換電路、安全保護(hù)電路等構(gòu)成,其組成框圖如圖5所示。系統(tǒng)外擴(kuò)了512Kx16位SRAM,方便系統(tǒng)調(diào)試時(shí)的外部仿真;利用DSP芯片自帶的3路SCI,經(jīng)接口芯片MAX 3491電平轉(zhuǎn)換后,將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS422電平信號(hào),實(shí)現(xiàn)DSP伺服控制器與光纖速率陀螺及上位機(jī)的通信,所有輸入輸出的I/O信號(hào)均通過光耦與外部隔離,起到保護(hù)DSP內(nèi)核的作用。DSP伺服控制器的方位、高低兩路輸出信號(hào)經(jīng)過D/A后分別作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定電壓信號(hào)。
2.4.2 DSP伺服控制器穩(wěn)定環(huán)路控制算法
穩(wěn)定環(huán)路為電流環(huán)外環(huán),DSP伺服控制器采集光纖速率陀螺速率反饋信號(hào),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與數(shù)字濾波后作為速率反饋數(shù)據(jù)與位置環(huán)路送出的速率數(shù)據(jù)給定數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算,其結(jié)果經(jīng)過D/A后作為電流環(huán)的電流給定電壓信號(hào)。穩(wěn)定環(huán)路控制算法采用臨界比例法,臨界比例法是一種經(jīng)驗(yàn)方法,這種方法首先將控制器選為純比例控制器,并改成閉環(huán),改變比例系數(shù),使系統(tǒng)對(duì)階躍響應(yīng)達(dá)到臨界狀態(tài),這時(shí)記下比例系數(shù)Kr,臨界震蕩周期為Tr,根據(jù)Ziegler-Nivhols提供的經(jīng)驗(yàn)公式,就可以由這兩個(gè)基準(zhǔn)參數(shù)得到不同類型控制器的參數(shù),如表1所示。調(diào)試時(shí),先采用臨界比例法得到初始參數(shù),然后在此基礎(chǔ)上采用湊試法進(jìn)一步完善。
2.4.3 DSP伺服控制器位置環(huán)路控制算法
位置環(huán)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)指令的快速準(zhǔn)確跟蹤,其控制算法采用變參數(shù)PID控制,變參數(shù)PID控制是一種通過誤差大小改變比例、積分、微分作用強(qiáng)度的控制算法。變參數(shù)PID控制參數(shù)隨誤差變化情況的規(guī)則如表2所示,其中Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù),它們的值可通過常規(guī)PID整定的方法得到。而xp、xi、xd分別為比例、積分、微分的變化量,只要誤差區(qū)域劃分合理,就能很好地減小干擾對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的影響,加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件在CCS3.3開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫,采用模塊化設(shè)計(jì),系統(tǒng)軟件由1個(gè)主程序3個(gè)子程序組成,3個(gè)子程序分別對(duì)應(yīng)自動(dòng)跟蹤、引導(dǎo)跟蹤、手動(dòng)跟蹤三種工作狀態(tài),主程序接收上位機(jī)控制命令后對(duì)應(yīng)相應(yīng)的工作狀態(tài)調(diào)用子程序,系統(tǒng)軟件主程序流程如圖6所示。
4 系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)
光電穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng)集光學(xué)、電子、電氣、精密機(jī)械為一體,工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種感應(yīng)和干擾,這些干擾有可能影響系統(tǒng)正常工作,因此伺服系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)不容忽視。本系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面考慮:
1)屏蔽,采用帶屏蔽層的信號(hào)線,伺服控制機(jī)箱機(jī)械結(jié)構(gòu)采用屏蔽設(shè)計(jì)。
2)隔離,電路設(shè)計(jì)中高壓與低壓隔離,強(qiáng)電與弱電隔離,動(dòng)力電與信號(hào)電隔離,模擬電路和數(shù)字電路分開,交流電源與直流電源分開。
3)接地,數(shù)字地與模擬地分離,最后接于電源地,接地線短而粗。
4)濾波,對(duì)測(cè)角編碼器信號(hào)光纖速率陀螺信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波;對(duì)功率驅(qū)動(dòng)器的功率電源加無感電容濾波;對(duì)電源及其他信號(hào)進(jìn)行有效濾波,減小干擾。
5 系統(tǒng)工程試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
經(jīng)測(cè)試,系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
6 結(jié)論
文中介紹的船載穩(wěn)定伺服跟蹤系統(tǒng)研制出工程樣機(jī)兩套,經(jīng)過工程測(cè)試,該伺服系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)電磁兼容性能良好,對(duì)同類伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造提供了經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。